EP1721661A1 - Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln durch Sprühpolymerisation - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln durch Sprühpolymerisation Download PDF

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EP1721661A1
EP1721661A1 EP05010325A EP05010325A EP1721661A1 EP 1721661 A1 EP1721661 A1 EP 1721661A1 EP 05010325 A EP05010325 A EP 05010325A EP 05010325 A EP05010325 A EP 05010325A EP 1721661 A1 EP1721661 A1 EP 1721661A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
liquid
monomer solution
gas
stream
monomer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05010325A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Dr. Seidl
Andreas Dr. Daiss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BASF SE
Original Assignee
BASF SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BASF SE filed Critical BASF SE
Priority to EP05010325A priority Critical patent/EP1721661A1/de
Priority to PCT/EP2006/062252 priority patent/WO2006120232A1/de
Priority to TW095116958A priority patent/TW200700437A/zh
Publication of EP1721661A1 publication Critical patent/EP1721661A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F6/00—Post-polymerisation treatments
    • C08F6/001—Removal of residual monomers by physical means
    • C08F6/003—Removal of residual monomers by physical means from polymer solutions, suspensions, dispersions or emulsions without recovery of the polymer therefrom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/26—Nozzle-type reactors, i.e. the distribution of the initial reactants within the reactor is effected by their introduction or injection through nozzles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F2/00—Processes of polymerisation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00245—Avoiding undesirable reactions or side-effects
    • B01J2219/00247—Fouling of the reactor or the process equipment

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of polymer particles having a low residual monomer content by spray polymerization of a monomer solution, wherein targeted concentration differences are generated in a liquid phase and / or in a gas phase via the metering of different liquid and / or gaseous streams, as well as devices for carrying out the process.
  • US 5,269,980 discloses a process for producing polymer particles by spray polymerization wherein monodisperse monomer solution drops are polymerized and dried in a hot gas stream.
  • WO-A-96/40427 describes the preparation of water-absorbing polymer particles by spray polymerization in a static atmosphere.
  • EP-A-0 348 180 describes a process for producing water-absorbing polymer particles by spray polymerization in a water vapor-containing atmosphere.
  • EP-A-1 424 346 discloses a spray polymerization process in which polymerization is initiated by a redox initiator.
  • a monomer solution containing a reducing agent together with a further monomer solution containing an oxidizing agent, so metered that mix the monomer solutions only in the reactor.
  • the object of the present invention was the optimization of the known processes for the preparation of polymer particles, in particular water-absorbing polymer particles, by spray polymerization.
  • Another object was to provide a spray polymerization process that can be operated trouble-free for a long time. In particular, blockages in the nozzle area should be avoided.
  • the object has been achieved by a method for spray polymerization of a monomer solution, characterized in that targeted concentration differences are generated in a liquid phase and / or in a gas phase via the metering of different liquid and / or gaseous streams.
  • the concentration differences in a liquid phase are produced, for example, by bringing two liquid phases of different composition into contact so that, if possible, no mixing takes place.
  • the concentration differences in a gas phase are generated, for example, by metering two gas streams of different composition spatially separated into the reactor.
  • the concentration differences are usually at least 10 wt .-%, preferably at least 20 wt -%, more preferably at least 40 wt .-%, most preferably at least 70 wt .-%, for at least one substance and based on the higher concentration.
  • the inventive method allows the production of polymer particles having a low content of residual monomers, wherein the residual monomer content usually below 10 wt .-%, preferably below 5 wt .-%, more preferably below 1 wt .-%, most preferably below 0.5 wt .-%, is.
  • the concentration differences can be generated by forming a laminar-flowing liquid layer between the monomer solution and the inner wall of the spray nozzle, wherein the laminar-flowing liquid layer is different from the monomer solution.
  • the liquid forming the laminar liquid layer has a different composition than the monomer solution.
  • the liquid may be wholly or partially compounds contained, which are not a component of the monomer solution.
  • the liquid lacks only one component of the monomer solution, for example the initiator.
  • the liquid it is possible, but less preferred, for the liquid to contain the components of the monomer solution only in a different ratio.
  • the liquid forming the laminar liquid layer between the monomer solution and the spray nozzle is preferably a monomer contained in the monomer solution, or more preferably a solvent contained in the monomer solution, for example, water.
  • a laminar flowing liquid layer is present when the climensionslose thickness of the layer y - less than 10.4.
  • the dimensionless thickness of the layer y + is the dimensionless wall distance defined in the turbulence theory and is described, for example, in US Pat Schlichting, boundary layer theory, Springer-Verlag described.
  • the velocity of the liquid stream 1 is preferably from 1 to 150 m / s, more preferably from 2 to 100 m / s, most preferably from 4 to 50 m / s.
  • the conical connection to the nozzle mouth further accelerates the liquid flow.
  • the exit velocity from the nozzle mouth is preferably 1 to 150 m / s, more preferably 2 to 100 m / s.
  • the outlet opening is preferably less than 40, more preferably from 1 to 20, most preferably from 2 to 10.
  • the mass flow ratio of liquid 2 to liquid 1 is preferably up to 0.2, more preferably from 0.02 to 0.1.
  • the speed ratio of liquid 2 to liquid 1 at the outlet openings is preferably from 0.1 to 1, particularly preferably from 0.2 to 1.
  • the angle ⁇ 1 between the conical outlet opening of the liquid 1 and the nozzle main axis is preferably less than 30 °, more preferably less than 15 °, most preferably less than 10 °.
  • the angle ⁇ 2 between the conical feed of the liquid 2 and the conical connection to the nozzle mouth is preferably less than 45 °, more preferably less than 30 °, most preferably less than 15 °.
  • a nozzle according to the invention is used with swirl generator.
  • the selection of the swirl generator can additionally influence drop size and spray angle, with greater twisting leading to smaller droplets and an increased spray angle.
  • the velocity of the liquid stream 1 a is preferably from 1 to 150 m / s, more preferably from 2 to 100 m / s, most preferably from 4 to 50 m / s.
  • the velocity of the liquid stream 1b is preferably from 1 to 150 m / s, more preferably from 2 to 100 m / s, most preferably from 4 to 50 m / s.
  • the conical connection to the nozzle mouth further accelerates the liquid flows.
  • the exit velocity from the nozzle mouth is preferably 1 to 100 m / s, more preferably 2 to 50 m / s.
  • the ratio of length L 1 of the conical connection to inner diameter d 2 of the, preferably coaxial, outlet opening is preferably less than 40, more preferably from 1 to 20, most preferably from 2 to 10.
  • the mass flow ratio of liquid 2 to the sum of liquids 1a and 1b is preferably less than 0.2, more preferably from 0.02 to 0.1.
  • the mass flow ratio of liquid 1b to liquid 1a is preferably from 0.25 to 4, more preferably from 0.5 to 2.
  • the speed ratio of liquid 2 to liquid 1 a at the outlet openings is preferably from 0.1 to 1, particularly preferably from 0.2 to 1.
  • the ratio of the speed of liquid 2 to liquid 1b at the outlet openings is preferably from 0.1 to 1, more preferably from 0.2 to 1.
  • the ratio of wall thickness (d 1a * - d 1a ) of the outlet opening of the liquid 1a to the gap width of the outlet opening (d 1b - d 1a *) of the liquid 1b is preferably less than 1, more preferably less than 0.5, most preferably less than 0.2.
  • the ratio of wall thickness (d 1b * - d 1b ) of the outlet opening of the liquid 1 b to gap width of the outlet opening (d 2 - d 1b *) of the liquid 2 is preferably less than 1, more preferably less than 0.5, most preferably less than 0.2.
  • the angle ⁇ 1 between the conical outlet opening of the liquid 1 and the nozzle main axis is preferably less than 30 °, more preferably less than 15 °, most preferably less than 10 °.
  • the angle ⁇ 2 between the conical feed of the liquid 2 and the conical connection to the nozzle mouth is preferably less than 45 °, more preferably less than 30 °, most preferably less than 15 °.
  • a nozzle according to the invention is used with swirl generator.
  • the selection of the swirl generator can additionally influence drop size and spray angle, with greater twisting leading to smaller droplets and an increased spray angle.
  • the swirl generator supports the mixing of the liquid streams 1a and 1b.
  • the swirl generators of the liquids 1a and 1b generate an opposing swirl, whereby the two liquid streams are better mixed.
  • the ratio of the distance L 2 of the swirl generator from the outlet openings of the liquids 1a, 1b and 2 to inner diameter d 1a of the outlet opening of the liquid 1a is preferably less than 10, more preferably up to 5, most preferably up to 2.
  • the ratio of length L 3 of the swirl generator to inner diameter d 1a of the outlet opening of the liquid 1a is preferably less than 5, more preferably from 0.25 to 3, most preferably from 0.5 to 2.
  • the liquid streams 1a and 1b may be monomer solutions, wherein one monomer solution contains an initiator and the other monomer solution contains a co-initiator.
  • the process according to the invention is particularly suitable for free-radical polymerizations, in particular for polymerizations which are started by redox initiators.
  • the polymerization starts spontaneously. Therefore, at least the second component of the redox initiator (usually the reducing agent) is added as late as possible.
  • the second component of the redox initiator usually the reducing agent
  • this is done by dividing the monomer solution into two partial solutions (liquid flow streams 1 a and 1 b), one partial solution containing the oxidizing agent and the other partial solution containing the reducing agent of the redox initiator.
  • the partial solutions are mixed in the region of the mixing section between the outlet openings of the liquid streams 1 a and 1 b and the nozzle mouth. This is additionally supported by the swirl generators.
  • the laminar flowing liquid stream 2 in this case reduces the contact of the polymerizable monomer solution with the nozzle wall. As a result, the tendency to clog the spray nozzle according to the invention is reduced and the running time is increased.
  • a partially neutralized aqueous acrylic acid solution can be polymerized by mixing the two liquid streams 1a and 1b in the spray nozzle, wherein, for example, one of the liquid streams 1a or 1b contains the acrylic acid and the initiator and the other liquid stream contains the sodium hydroxide solution necessary for partial neutralization.
  • the heat of neutralization can be used to heat the Monomeriösung without the risk that the spray nozzle clogged.
  • the concentration differences can be generated by at least two gas streams of different composition are introduced into the reaction space.
  • the monomer solution is sprayed by means of a two-substance nozzle, wherein one of the at least two gas streams is used as a nebulizer gas.
  • the at least two gas streams of different composition are prevented from mixing in the area of the spray nozzle.
  • the droplets of the monomer solution and the gas streams of different composition are preferably passed through the reactor in a co-current from top to bottom.
  • Figure 3 shows a reactor with a spray nozzle and baffles adjacent to the spray nozzle, wherein the gas streams 1 and 2 are prevented in the region of the spray nozzle by the baffles from mixing.
  • Figure 4 shows a reactor with two spray nozzles and baffles adjacent to the spray nozzles, wherein the gas streams 1 and 2 are prevented in the region of the spray nozzles by the baffles from mixing.
  • Figure 5 shows a reactor with two spray nozzles and baffles adjacent to the spray nozzles, wherein the gas streams 1 and 2 in the area of the spray nozzles are prevented from mixing by the baffles, and each spray nozzle is individually surrounded by baffles.
  • Figure 6 shows a reactor with a spray nozzle and baffles adjacent to the spray nozzle, wherein the gas streams 1 and 2 in the spray nozzle are prevented by the baffles from mixing, and wherein the gas feeds of the gas streams 1 are inclined relative to the perpendicular to the spray axis, preferably to less than 45 °, more preferably less than 30 °, most preferably less than 15 °.
  • the concentration difference in the gas phase can also be adjusted by atomizing a liquid stream into the reactor instead of the gas stream 1, whereby the atomized liquid stream evaporates, thereby generating the gas stream 1 in the reactor.
  • the ratio of the depth of the guide plates L to the spacing of the guide plates from the spray nozzle s is preferably less than 3, particularly preferably less than 2.4, very particularly preferably less than 1.8. If each spray nozzle is surrounded individually by baffles, the distance d of the baffles is twice the distance s of the baffles to the spray nozzle.
  • the baffles preferably have no lateral openings and completely surround the spray nozzle or the spray nozzles.
  • the number of gas supply lines and / or the spray nozzles is not limited to the number shown in Figures 3 to 6, but it is more appropriate to increase the number of gas supplies and / or spray nozzles, especially for larger reactors.
  • the mass flow ratio of gas stream 2 to monomer solution is preferably from 5 to 100, particularly preferably from 10 to 50, very particularly preferably from 15 to 25.
  • the mass flow ratio of gas stream 1 to monomer solution is preferably from 0.5 to 10, particularly preferably from 1 to 5, very particularly preferably 2 to 4.
  • the ratio of the gas velocity of the gas stream 1 to the gas velocity of the gas stream 2 is preferably from 0.25 to 4, more preferably from 0.5 to 2, most preferably from 0.75 to 1.5.
  • the gas velocity of the gas stream 2 is preferably 0.05 to 5 m / s, more preferably from 0.1 to 1 m / s, most preferably from 0.25 to 0.75 m / s.
  • the spray angle ⁇ is preferably from 10 to 90 °, more preferably from 10 to 70 °, most preferably from 10 to 30 °.
  • dropletizers can also be used in the process according to the invention.
  • At least one gas stream of the at least two gas streams of different composition preferably contains one component of the monomer solution liquid and / or particularly preferably gaseous. But it is also possible that the gas stream containing a component of the monomer solution liquid, consists only of this liquid component. In this case, the gas stream is generated by evaporation of the liquid component, for example water, in the reactor.
  • the sprayed monomer solution is enveloped by the gas stream containing the at least one component of the monomer solution, for example by passing the gas stream near the spray nozzle into the reaction space.
  • the temperature of the enveloping gas stream is preferably from 70 to 150 ° C, more preferably from 90 to 130 ° C, most preferably from 100 to 110 ° C.
  • the temperature of the further gas stream is preferably from 70 to 250 ° C, more preferably 100 to 200 ° C, most preferably 120 to 180 ° C.
  • water vapor is the preferred component of the monomer solution in the at least one gas stream, the relative humidity of the gas stream preferably being at least 50%, particularly preferably at least 75%, very particularly preferably at least 95%.
  • the relative humidity is the quotient of water vapor partial pressure and water vapor pressure (saturation) at a given temperature multiplied by 100%.
  • the inventive use of two gas streams of different composition allows polymerization and drying in the spray polymerization to decouple.
  • the gas stream 1 humidity preferably has a high water vapor content and a low temperature
  • the gas stream 2 drying gas preferably has a low water vapor content and a high temperature.
  • the humidification gas at the reactor inlet prevents too rapid drying during the polymerization phase and thus a reaction termination at low conversion and high residual monomer content.
  • the polymer particles are dried by the drying gas.
  • the gas stream 1 can be used to heat the sprayed monomer solution. If, for example, the gas stream 1 (humidifying gas) has a high relative humidity and the monomer solution is supplied at about 25 ° C., water can condense on the droplets and transfer the heat of condensation.
  • the gas stream 1 humidity gas
  • the monomer solution is supplied at about 25 ° C.
  • the reaction is preferably carried out in apparatuses which are also suitable for spray drying.
  • Such reactors are used for example in K. Masters, Spray Drying Handbook, 5th Edition, Longman, 1991, pp. 23-66 , described and can be adapted for the inventive method.
  • one or more spray nozzles can be used.
  • the above-mentioned preferred parameters apply to the spray nozzles according to the invention. Otherwise, the usable spray nozzles are subject to no restriction.
  • the liquid to be sprayed can be supplied under pressure. The division of the liquid to be sprayed takes place in that it is relaxed after reaching a certain minimum speed in the nozzle bore.
  • triangle division means that the spray nozzles are at the vertices of imaginary equilateral triangles.
  • Full cone nozzles are preferred according to the invention. Of these, those with an opening angle of the spray cone of 15 to 90 ° are preferred. Opening angles of 30 to 70 ° are particularly preferred.
  • the average droplet diameter which occurs during spraying is typically less than 1000 .mu.m, preferably less than 500 .mu.m, preferably less than 200 .mu.m, and usually greater than 10 .mu.m, preferably greater than 20 .mu.m, preferably greater than 50 .mu.m, and can be prepared by conventional methods such as light scattering or determined by the characteristics available from the nozzle manufacturers.
  • the throughput per spray nozzle is suitably 0.1 to 10 m 3 / h, often 0.5 to 5 m 3 / h.
  • the droplet diameter which is obtained during the spraying is expediently from 10 to 1000 ⁇ m, preferably from 10 to 500 ⁇ m, particularly preferably from 10 to 150 ⁇ m.
  • the reaction space of the polymerization reactor can be carried out in overpressure or under reduced pressure, with an underpressure of up to 100 mbar relative to the ambient pressure being preferred.
  • the reaction is preferably carried out in the presence of an inert carrier gas, the carrier gas being the sum of the gas streams fed to the reactor.
  • Inert means that the carrier gas can not react with the components of the monomer solution.
  • the inert carrier gas is preferably nitrogen.
  • the oxygen content of the inert carrier gas is advantageously less than 5% by volume, preferably less than 2% by volume, more preferably less than 1% by volume.
  • the inert carrier gas can be passed through the reaction space in cocurrent or in countercurrent to the freely falling drops of the monomer solution, preferably in cocurrent.
  • the carrier gas after a passage at least partially, preferably at least 50%, more preferably at least 75%, recycled as recycle gas into the reaction space.
  • a portion of the carrier gas is discharged after each pass, preferably less than 10%, more preferably less than 3%, most preferably less than 1%.
  • the gas velocity is preferably adjusted so that the flow is directed in the reactor, for example, there are no convection vortices opposite the general flow direction, and is for example 0.02 to 1.5 m / s, preferably 0.05 to 0.5 m / s.
  • the carrier gas is usually preheated to the reaction temperature of 70 to 250.degree. C., preferably 100 to 220.degree. C., particularly preferably 120 to 200.degree. C., before the reactor. If different gas streams are used as carrier gas, it may be expedient to use gas streams of lower temperature.
  • the drying rate can be influenced by the water vapor content of the carrier gas.
  • the reaction offgas i. the carrier gas constituting the reaction space can be cooled, for example, in a heat exchanger. This condense water and unreacted monomer. Thereafter, the reaction gas can be at least partially reheated and recycled as recycle gas in the reactor. Preferably, the recycle gas is cooled so that the cooled recycle gas has the desired amount for the reaction of water vapor. Part of the reaction exhaust gas can be discharged and replaced by fresh carrier gas, wherein unreacted monomers contained in the reaction exhaust gas can be separated and recycled.
  • a heat network that is, a portion of the waste heat during cooling of the exhaust gas is used to heat the circulating gas.
  • the reactors can be accompanied by heating.
  • the heat tracing is adjusted so that the wall temperature is at least 5 ° C above the internal reactor temperature and the condensation on the reactor walls is reliably avoided.
  • the reaction product can be removed from the reactor in a conventional manner, preferably dried on the ground via a screw conveyor, and optionally to the desired residual moisture content and to the desired residual monomer content, for example in an integrated fluidized bed.
  • water-absorbing polymer particles are preferably produced.
  • Suitable monomers a) are, for example, ethylenically unsaturated carboxylic acids, such as acrylic acid, methacrylic acid, maleic acid, fumaric acid and itaconic acid, or derivatives thereof, such as acrylamide, methacrylamide, acrylic esters and methacrylic acid esters. Particularly preferred monomers are acrylic acid and methacrylic acid. Very particular preference is given to acrylic acid.
  • the acid groups of the monomers a) are usually partially neutralized, preferably from 25 to 85 mol%, preferably from 27 to 80 mol%, particularly preferably from 27 to 30 mol% or from 40 to 75 mol%, the customary neutralizing agents can be used, preferably alkali metal hydroxides, alkali metal oxides, alkali metal carbonates or alkali metal hydrogencarbonates and mixtures thereof.
  • alkali metal salts and ammonium salts can be used.
  • Sodium and potassium are particularly preferred as alkali metals, but most preferred are sodium hydroxide, sodium carbonate or sodium bicarbonate and mixtures thereof.
  • the neutralization is achieved by mixing the neutralizing agent as an aqueous solution, as a melt, or preferably as a solid in the monomer solution.
  • the neutralizing agent for example, sodium hydroxide with a water content well below 50 wt .-% may be present as a waxy mass with a melting point above 23 ° C. In this case, a dosage as general cargo or melt at elevated temperature is possible.
  • Preferred hydroquinone half ethers are hydroquinone monomethyl ether (MEHQ) and / or tocopherols.
  • Tocopherol is understood as meaning compounds of the following formula wherein R 1 is hydrogen or methyl, R 2 is hydrogen or methyl, R 3 is hydrogen or methyl and R 4 is hydrogen or an acid radical having 1 to 20 carbon atoms.
  • Preferred radicals for R 4 are acetyl, ascorbyl, succinyl, nicotinyl and other physiologically acceptable carboxylic acids.
  • the carboxylic acids may be mono-, di- or tricarboxylic acids.
  • R T is more preferably hydrogen or acetyl. Especially preferred is RRR-alpha tocopherol.
  • the monomer solution preferably contains less than 130 ppm by weight, more preferably less than 70 ppm by weight, preferably at least 50 ppm by weight, more preferably at least 30 ppm by weight, in particular by 50 ppm by weight, hydroquinone, in each case based on acrylic acid, wherein acrylic acid salts is taken into account as acrylic acid.
  • an acrylic acid having a corresponding content of hydroquinone half-ether can be used.
  • the crosslinkers b) are compounds having at least two polymerizable groups which can be incorporated in the polymer network by free-radical polymerization. Suitable crosslinkers b) are, for example, ethylene glycol dimethacrylate, diethylene glycol diacrylate, allyl methacrylate, trimethylolpropane triacrylate, triallylamine, tetraallyloxyethane, as in EP-A-0 530 438 described, di- and triacrylates, as in EP-A-0 547 847 . EP-A-0 559 476 . EP-A-0 632 068 . WO-A-93/21237 . WO-A-03/104299 . WO-A-03/104300 .
  • Suitable crosslinkers b) are, in particular, N, N'-methylenebisacrylamide and N, N'-methylenebismethacrylamide, esters of unsaturated monocarboxylic or polycarboxylic acids of polyols, such as diacrylate or triacrylate, for example butanediol or ethylene glycol diacrylate or methacrylate, and trimethylolpropane triacrylate and allyl compounds, such as allyl (meth) acrylate, triallyl cyanurate, maleic acid diallyl esters, polyallyl esters, tetraallyloxyethane, triallylamine, tetraallylethylenediamine, allyl esters of phosphoric acid and vinylphosphonic acid derivatives, as described, for example, in US Pat EP-A-0 343 427 are described.
  • crosslinkers b) are pentaerythritol-pentaerythritol tri-and pentaerythritol tetraallyl ethers, polyethylene glycol cliallyl ethers, ethylene glycol diallyl ether, glycerol and glycerol triallyl ethers, polyallyl ethers based on sorbitol, and ethoxylated variants thereof.
  • Useful in the process according to the invention are di (meth) acrylates of polyethylene glycols, wherein the polyethylene glycol used has a molecular weight between 300 and 1000.
  • crosslinkers b) are di- and triacrylates of 3 to 15 times ethoxylated glycerol, 3 to 15 times ethoxylated trimethylolpropane, 3 to 15 times ethoxylated trimethylolethane, in particular di- and triacrylates of 2 to 6-fold ethoxylated glycerol or trimethylolpropane, the 3-fold propoxylated glycerol or trimethylolpropane, and the 3-fold mixed ethoxylated or propoxylated Glycerol or trimethylolpropane, the 15-fold ethoxylated glycerol or trimethylolpropane, and the 40-fold ethoxylated glycerol, trimethylolethane or trimethylolpropane.
  • Very particularly preferred crosslinkers b) are the polyethoxylated and / or propoxylated glycerols which are esterified with acrylic acid or methacrylic acid to give di- or triacrylates, as are known, for example, in US Pat WO-A-03/104301 are described. Particularly advantageous are di- and / or triacrylates of 3- to 10-fold ethoxylated glycerol. Very particular preference is given to diacrylates or triacrylates of 1 to 5 times ethoxylated and / or propoxylated glycerol. Most preferred are the triacrylates of 3 to 5 times ethoxylated and / or propylated glycerol.
  • Examples of ethylenically unsaturated monomers c) copolymerizable with the monomers a) are acrylamide, methacrylamide, crotonamide, dimethylaminoethyl methacrylate, dimethylaminoethyl acrylate, dimethylaminopropyl acrylate, diethylaminopropyl acrylate, dimethylaminobutyl acrylate, dimethylaminoethyl methacrylate, diethylaminoethyl methacrylate, dimethylaminoneopentyl acrylate and dimethylamine-pentopentyl methacrylate.
  • water-soluble polymers d) it is possible to use polyvinyl alcohol, polyvinylpyrrolidone, starch, starch derivatives, polyglycols or polyacrylic acids, preferably polyvinyl alcohol and starch.
  • the concentration of the monomers a) in the monomer solution is usually 2 to 80 wt .-%, preferably 5 to 70 wt .-%, particularly preferably 10 to 60 wt .-%.
  • the solubility of the monomers a) in water is typically at least 1 g / 100 g of water, preferably at least 5 g / 100 g of water, more preferably at least 25 g / 100 g of water, most preferably at least 50 g / 100 g of water.
  • the preferred polymerization inhibitors require dissolved oxygen for optimum performance. Therefore, the polymerization inhibitors before the polymerization by inerting, ie, flowing through with an inert gas, preferably nitrogen, are freed of dissolved oxygen.
  • the oxygen content of the Monomer solution before polymerization to less than 1 ppm by weight, more preferably to less than 0.5 ppm by weight, lowered.
  • the monomers are polymerized together in aqueous solution in the presence of initiators.
  • the initiators are used in conventional amounts, for example in amounts of 0.001 to 5 wt .-%, preferably 0.01 to 1 wt .-%, based on the monomers to be polymerized.
  • initiators it is possible to use all compounds which decompose into free radicals under the polymerization conditions, for example peroxides. Hydroperoxides, hydrogen peroxide, persulfates, azo compounds and the so-called redox initiators. Preference is given to the use of water-soluble initiators. In some cases, it is advantageous to use mixtures of different initiators, for example mixtures of hydrogen peroxide and sodium or potassium peroxodisulfate. Mixtures of hydrogen peroxide and sodium peroxodisulfate can be used in any proportion.
  • Suitable organic peroxides are, for example, acetylacetone peroxide. Methyl ethyl ketone peroxide, tert-butyl hydroperoxide, cumene hydroperoxide, tert-amyl perpivalate, tert-butyl perpivalate, tert-butyl pemeohexanoate, tert-butyl perisobutyrate, tert-butyl per-2-ethylhexanoate, tert-butyl perisononanoate, tert-butyl permaleate, tert Butyl perbenzaat, di- (2-ethylhexyl) peroxydicarbonate, dicyclohexyl peroxydicarbunate, di (4-tert-butylcyclohexyl) peroxydicarbonate.
  • Preferred initiators are azo compounds, for example 2,2'-azobis-isvbutyronitrile, 2,2'-azobis (2,4-dimethylvaleronitrile) and 2,2'-trainees (4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitrile), in particular water-soluble azo initiators
  • 2,2'-azobis ⁇ 2- [1- (2-hydroxyethyl) -2-imidazolin-2-yl] propane ⁇ dihydrochloride, 2,2'-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride, 2,2'-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride and 2,2'-azobis [2- (5-methyl-2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride.
  • the redox initiators contain at least one of the abovementioned peroxo compounds as the oxidizing component and, for example, ascorbic acid as the reducing component.
  • Preferably used as the reducing component of the redox initiator ascorbic acid or sodium pyrosulfite. Based on the amount of monomers used in the polymerization used, for example, 1 x 10 -5 to 1 mol% of the reducing component of the redox initiator.
  • the polymerization is particularly preferably initiated by the action of high-energy radiation, customarily using so-called photo-initiators as the initiator.
  • photo-initiators may be, for example, so-called a-splitters, H-abstracting systems or even azides.
  • examples of such initiators are benzophenone derivatives such as Michters ketone. Phenanthrene derivatives, fluvren derivatives, anthraquinone derivatives, thioxanthone derivatives, coumarin derivatives.
  • Benzoin ethers and their derivatives such as the radical generators mentioned above, substituted hexaarylbisimidazoles or acylphosphine oxides, in particular 2-hydroxy-2-methylpropiophenone (Darocure® 1173).
  • azides are 2- (N, N-dimethylamino) ethyl-4-azidocinnamate.
  • Particularly preferred initiators are azo initiators such as 2,2'-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride and 2,2'-azobis [2- (5-methyl-2-imidazoline-2 -yl) propane] dihydrochloride, and photo-initiators such as 2-hydroxy-2-methyl-propivophenone and 1- [4- (2-hydroxyethoxy) -phenyl] -2-hydroxy-2-methyl-propan-1-one.
  • azo initiators such as 2,2'-azobis [2- (2-imidazolin-2-yl) propane] dihydrochloride and 2,2'-azobis [2- (5-methyl-2-imidazoline-2 -yl) propane] dihydrochloride
  • photo-initiators such as 2-hydroxy-2-methyl-propivophenone and 1- [4- (2-hydroxyethoxy) -phenyl] -2-hydroxy-2-methyl-propan-1-one.
  • Redox initiators such as sodium persulfate / hydroxymethylsulfinic acid, ammonium peroxodisulfate / hydroxymethylsulfinic acid, hydrogen peroxide / hydroxymethylsulfinic acid, sodium persulfate / ascorbic acid, ammonium peroxodisulfate / ascorbic acid and hydrogen peroxide / ascorbic acid, photo-initiators, such as 1- [4- (2-hydroxyethoxy) -phenyl] -2- hydroxy-2-methyl-1-propan-1-one, and mixtures thereof.
  • the rate of polymerization can be adjusted by the type and amount of initiator system used.
  • the pH of the polymer according to the invention can be adjusted to the desired range via the pH word of the monomer solution.
  • polymers for cosmetic applications should usually have a pH of 5 to 6.
  • the water-absorbing polymer particles which can be prepared by the process according to the invention typically have a centrifuge retention capacity (CRC) of at least 15 g / g, preferably at least 20 g / g, more preferably at least 25 g / g.
  • Centrifuge retention capacity (CRC) is determined according to the EDANA (European Disposables and Nonwovens Association) recommended test method no. 441.2-02 "Centrifuge retention capacity".
  • the water-absorbing polymer particles which can be prepared by the process according to the invention typically have an absorption under pressure of 0.3 psi (2.07 kPa) of at least 10 g / g, preferably at least 15 g / g, particularly preferably at least 20 g / g.
  • Absorption under pressure (AUL) is determined according to the test method No. 442.2-02 "Absorption under pressure" recommended by the EDANA (European Disposables and Nonwovens Association).
  • a further subject of the present invention are processes for the production of hygiene articles, in particular diapers, comprising the use of water-absorbing polymer particles prepared according to the process of the invention.
  • a further subject of the present invention are hygiene articles comprising an absorbent layer consisting of 50 to 100 wt.%, Preferably 60 to 100 wt.%, Preferably 70 to 100 wt.%, Particularly preferably 80 to 100 wt. most preferably 90 to 100 wt .-%, inventive water-absorbing polymer particles, wherein the envelope of the absorbent layer is of course not taken into account.
  • FIG. 1 shows a spray nozzle according to the invention. The preferred dimensions have already been described above in the process.
  • the feed i) is subdivided into a central feed i 1 ) and a feed i 2 ) which surrounds the feed i 1 ), preferably coaxially.
  • FIG. 2 shows a preferred spray nozzle according to the invention. The preferred dimensions have already been described above in the process.
  • a plurality of devices iii 1 ) and / or iii 2 ) are distributed uniformly around the device i), for example equidistant from each other on a circle with the device i) in the center of the circle.
  • each device i) is surrounded by two, three, four or more devices iii 1 ) and / or iii 2 ).
  • the upper portion of the reactor according to the invention contains baffles, so that the gas b) is prevented from mixing with the dripped or sprayed diessigKeit a) and the liquid c 1 ) and / or the gas c 2 ) from mixing with the sprayed liquid a) is not prevented.
  • FIGS. 3 to 6 show reactors according to the invention. The preferred dimensions have already been described above in the process.
  • the spray nozzles and reactors according to the invention are used for the production of polymer particles, preferably water-absorbing polymer particles.
  • the dried water-absorbing polymer particles are tested by the test methods described below.
  • Measurements should be taken at an ambient temperature of 23 ⁇ 2 ° C and a relative humidity of 50 ⁇ 10%, unless otherwise specified.
  • the water-absorbing polymers are thoroughly mixed before the measurement.
  • the content of residual monomers of the water-absorbing polymer particles is determined according to the test method No. 410.2-02 "Residual monomers" recommended by the EDANA (European Disposables and Nonwovens Association).
  • residual monomer contents of other polymer particles can be determined.
  • the monomer to be determined must be soluble in the solvent used for the determination.
  • the EDANA test methods are available, for example, from the European Disposables and Nonwovens Association, Avenue Euither Plasky 157. B-1030 Brussels, Belgium.
  • a solution containing 8.1% by weight of acrylic acid, 31.9% by weight of sodium acrylate, 0.16% by weight of 15-tuply ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, redox initiator and water was added in an amount of 20 kg / h in one Spraying tower (8m height, 3m width) sprayed.
  • the monomer solution was fed via a cooled to 10 ° C line of a Einstoffsprühdüse (Nubilosa PHKS 4-20, Nubilosa, DE).
  • the nozzle had an inner diameter of 400 .mu.m, the nozzle pre-pressure was 10 bar and the mean droplet diameter was about 100 microns. 1000 kg / h of nitrogen at a temperature of 175 ° C. were supplied to the spray tower from above. At the bottom of the spray tower, a dry, white powder was obtained.
  • the redox initiator used was a mixture of sodium persulfate and Brüggolit® FF6 (Brüggeman Chemical, DE).
  • Brüggolit® FF6 is a mixture of 50 to 60% by weight of the disodium salt of 2-hydroxy-2-sulfinatoacetic acid, 30 to 35% by weight of sodium sulfite and 10 to 15% by weight of the disodium salt of 2-hydroxysulfonatoacetic acid.
  • Example 2 The procedure was as in Example 2 and 3.
  • a spray nozzle according to the invention (Figure 1) was used.
  • the spray nozzle according to the invention could be operated stably over several hours.
  • Example 2 The procedure was as in Example 2. About four symmetrically arranged steam lances total of 72 kg / h steam at a temperature of 100 to 110 ° C were fed (relative humidity> 98%). The steam lances had an inner diameter of 1 mm and a distance of 15 cm from the single-substance spray nozzle. The spray axis of the steam lances was tilted 15 ° from the vertical to the single-substance spray nozzle.
  • the residual monomer content was 1.3% by weight.
  • a solution containing 8.1% by weight of acrylic acid, 31.9% by weight of sodium acrylate, 0.16% by weight of 15% ethoxylated trimethylolpropane triacrylate, 0.22% by weight of azo initiator and water was sprayed at 15 kg / hr in a spray tower (8 m high, 3 m wide).
  • the monomer solution was fed via a cooled to 10 ° C line to a two-fluid nozzle (Nubilosa 2B2V ZD100, Nubilosa, DE).
  • the nozzle was operated with 10 Nm 3 / h of nitrogen as a sputtering gas and the mean droplet diameter was about 50 microns. 1000 kg / h of nitrogen at a temperature of 175 ° C. were supplied to the spray tower from above. At the bottom of the spray tower, a dry, white powder was obtained.
  • the azo initiator used was a mixture of equal parts by weight of 2,2'-azobis (N, N'-dimethyleneisobutyramidine) dihydrochloride (azo initiator V44 from Wako Germany, DE) and 2,2'-azobis (2-amidinopropane) dihydrochloride ( Azo initiator V50 from Wako Germany, DE).
  • the residual monomer content was 16.1% by weight.
  • Example 7 The procedure was as in Example 7. Instead of nitrogen, water vapor (relative humidity> 98%) was used with a temperature of 100 to 110 ° C as a sputtering gas.
  • the residual monomer content was 7.1% by weight.

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln mit niedrigem Restmonomerengehalt durch Sprühpolymorisation einer Monomerlösung, wobei in einer Flüssigphase und/oder in einer Gasphase über die Dosierung unterschiedlicher flüssiger und/oder gasförmiger Stoffströme gezielt Konzentrationsunterschiede erzeugt werden, sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln mit niedrigem Restmonomerengehalt durch Sprühpolymerisation einer Monomerlösung, wobei in einer Flüssigphase und/oder in einer Gasphase über die Dosierung unterschiedlicher flüssiger und/oder gasförmiger Stoffströme gezielt Konzentrationsunterschiede erzeugt werden, sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
  • Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind den Ansprüchen, der Beschreibung und den Beispielen zu entnehmen. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale des erfindungsgemä-ßen Gegenstandes nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
  • US-5,269,980 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln durch Sprühpolymerisation, wobei monodisperse Monomerlösungstropfen in einem heißen Gasstrom polymerisiert und getrocknet werden. WO-A-96/40427 beschreibt die Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel durch Sprühpolymerisation in einer statischen Atmosphäre.
  • Durch Sprühpolymerisation konnten die Verfahrensschritte Polymerisation und Trocknung zusammengefasst werden. Zusätzlich konnte die Partikelgröße durch geeignete Verfahrensführung in gewissen Grenzen eingestellt werden.
  • Die Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel durch Sprühpolymerisation wird beispielsweise auch in den älteren deutschen Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 10340253.5 und 102004024437.5 beschrieben.
  • EP-A-0 348 180 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung wasserabsorbierender Polymerpartikel durch Sprühpolymerisation in einer Wasserdampf enthaltenden Atmosphäre.
  • EP-A-1 424 346 offenbart ein Sprühpolymerisationsverfahren, bei dem die Polymerisation durch einen Redox-Initiator gestartet wird. Dabei wird eine Monomerlösung, enthaltend ein Reduktionsmittel, zusammen mit einer weiteren Monomerlösung, enthaltend ein Oxidationsmittel, so dosiert, dass sich die Monomerlösungen erst im Reaktor mischen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Optimierung der bekannten Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikeln, insbesondere wasserabsorbierenden Polymerpartikeln, durch Sprühpolymerisation.
  • Eine weitere Aufgabe war die Bereitstellung eines Sprühpolymerisationsverfahrens, dass über längere Zeit störungsfrei betrieben werden kann. Insbesondere sollten Verstopfungen im Düsenbereich vermieden werden.
  • Weiterhin sollten hohe Umsätze und damit Polymerpartikel mit niedrigem Restmonomerengehalt erhalten werden.
  • Gelöst wurde die Aufgabe durch ein Verfahren zur Sprühpolymerisation einer Monomerlösung, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Flüssigphase und/oder in einer Gasphase über die Dosierung unterschiedlicher flüssiger und/oder gasförmiger Stoffströme gezielt Konzentrationsunterschiede erzeugt werden.
  • Die Konzentrationsunterschiede in einer Flüssigphase werden beispielsweise erzeugt, indem zwei flüssige Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung in Kontakt gebracht werden, so dass möglichst keine Durchmischung stattfindet.
  • Die Konzentrationsunterschiede in einer Gasphase werden beispielsweise erzeugt, indem zwei Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung räumlich getrennt in den Reaktor dosiert werden.
  • Die Konzentrationsunterschiede betragen üblicherweise mindestens 10 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 20 Gew,-%, besonders bevorzugt mindestens 40 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt mindestens 70 Gew.-%, für mindestens eine Substanz und bezogen auf die höhere Konzentration.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Herstellung von Polymerpartikeln mit niedrigem Gehalt an Restmonomeren, wobei der Restmonomerengehalt üblicherweise unter 10 Gew.-%, vorzugsweise unter 5 Gew.-%, besonders bevorzugt unter 1 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt unter 0,5 Gew.-%, beträgt.
  • In der Flüssigphase können die Konzentrationsunterschiede erzeugt werden, indem sich zwischen Monomerlösung und Innenwand der Sprühdüse eine laminar strömende Flüssigkeitsschicht ausbildet, wobei die laminar strömende Flüssigkeitsschicht von der Monomerlösung verschieden ist.
  • Von der Monomerlösung verschieden bedeutet, dass die Flüssigkeit, die die laminar strömende Flüssigkeitsschicht ausbildet, eine andere Zusammensetzung aufweist als die Monomerlösung. Beispielsweise kann die Flüssigkeit ganz oder teilweise Verbindungen enthalten, die keine Komponente der Monomerlösung sind. Es ist aber auch möglich, dass der Flüssigkeit lediglich eine Komponente der Monomerlösung fehlt, beispielsweise der Initiator. Weiterhin ist es möglich, aber weniger bevorzugt, dass die Flüssigkeit die Komponenten der Monomerlösung lediglich in einem anderen Verhältnis enthält.
  • Die Flüssigkeit, die die laminar strömende Flüssigkeitsschicht zwischen Monomerlösung und Sprühdüse ausbildet, ist vorzugsweise ein in der Monomerlösung enthaltenes Monomer oder besonders bevorzugt ein in der Monomerlösung enthaltenes Lösungsmittel, beispielsweise Wasser.
  • Eine laminar strömende Flüssigkeitsschicht liegt vor, wenn die climensionslose Dicke der Schicht y- weniger als 10,4 beträgt. Die dimensionslose Dicke der Schicht y+ ist der in der Turbulenztheorie definierte dimensionslose Wandabstand und wird beispielsweise in Schlichting, Grenzschichttheorie, Springer-Verlag beschrieben.
  • Vorzugsweise wird zur Erzeugung der laminar strömenden Flüssigkeitsschicht (Flüssigkeit 2) zwischen Monomerlösung (Flüssigkeit 1) und Innenwand der Sprühdüse eine Sprühdüse gemäß Figur 1 verwendet. In der Figur 1 haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung:
    • 1
    Flüssigkeit 1
    2
    Flüssigkeit 2
    3
    Flüssigkeit 1 + 2
    4
    Drallerzeuger (optional)
    d1
    Innendurchmesser der Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1
    d1*
    Außendurchmesser der Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1
    d2
    Innendurchmesser der, vorzugsweise Koaxialen, Austrittsöffnung der Flüssigkeit 2
    d3
    Innendurchmesser des Düsenmundes
    β1
    Winkel zwischen der konischen Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1 und der Düsenhauptachse
    β2
    Winkel zwischen der konischen Zuführung der Flüssigkeit 2 und der konischen Verbindung zum Düsenmund
    L1
    Länge der konischen Verbindung zwischen Düsenmund und den Austrittsöffnungen der Flüssigkeiten 1 und 2
    L2
    Abstand des Drallerzeugers von den Austrittsöffnungen der Flüssigkeiten 1 und 2
    L3
    Länge des Drallerzeugers
  • Anstelle kreisrunder Querschnitte sind auch beispielsweise elliptische Querschnitte möglich.
  • Die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes 1 beträgt vorzugsweise von 1 bis 150 m/s, besonders bevorzugt von 2 bis 100 m/s, ganz besonders bevorzugt von 4 bis 50 m/s. Durch die konische Verbindung zum Düsenmund wird der Flüssigkeitsstrom weiter beschleunigt. Die Austrittsgeschwindigkeit aus dem Düsenmund beträgt vorzugsweise 1 bis 150 m/s, besonders bevorzugt 2 bis 100 m/s. Das Verhältnis von Länge L1 der konischen Verbindung zu Innendurchmesser d2 der, vorzugsweise koaxialen. Austrittsöffnung beträgt vorzugsweise weniger als 40, besonders bevorzugt von 1 bis 20, ganz besonders bevorzugt von 2 bis 10.
  • Das Massenstromverhältnis von Flüssigkeit 2 zu Flüssigkeit 1 beträgt vorzugsweise bis zu 0,2, besonders bevorzugt von 0,02 bis 0.1.
  • Das Geschwindigkeitsverhältnis von Flüssigkeit 2 zu Flüssigkeit 1 an den Austrittsöffnungen beträgt vorzugsweise von 0,1 bis 1, besonders bevorzugt von 0,2 bis 1.
  • Der Winkel β 1 zwischen der konischen Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1 und der Düsenhauptachse beträgt vorzugsweise weniger als 30°, besonders bevorzugt weniger als 15°, ganz besonders bevorzugt weniger als 10°.
  • Der Winkel β2 zwischen der konischen Zuführung der Flüssigkeit 2 und der konischen Verbindung zum Düsenmund beträgt vorzugsweise weniger als 45°, besonders bevorzugt weniger als 30°, ganz besonders bevorzugt weniger als 15°.
  • Vorteilhaft wird eine erfindungsgemäße Düse mit Drallerzeuger verwendet. Über die Auswahl des Drallerzeugers können Tropfengröße und Sprühwinkel zusätzlich beeinflußt werden, wobei eine stärkere Verdrallung zu kleineren Tropfen und vergrö-ßertem Sprühwinkel führen.
  • Niedrige Umsätze und damit hohe Restmonomerengehalte durch zu schnelle Trocknung der Monomerlösungstropfen können bereits durch geringe Lösungsmittelmengen, die gezielt zugesetzt werden, vermieden werden. Eine Verdünnung der gesamten Monomerlüsung ist nicht erforderlich.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zur Erzeugung der laminar strömenden Flüssigkeitsschicht (Flüssigkeit 2) zwischen Monomerlösung (Flüssigkeit 1a und 1b) und Innenwand der Sprühdüse eine Vorrichtung gemäß Figur 2 verwendet. In der Figur 2 haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung:
    • 1a
    Flüssigkeit 1a
    1b
    Flüssigkeit 1b
    2
    Flüssigkeit 2
    3
    Flüssigkeit 1a + 1b + 2
    4a
    Drallerzeuger (optional)
    4b
    Drallerzeuger (optional)
    d1a
    Innendurchmesser der Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1 a
    d1a*
    Außendurchmesser der Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1 a
    d1b
    Innendurchmesser der, vorzugsweise koaxialen, Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1 b
    d1b*
    Außendurchmesser der, vorzugsweise Koaxialen, Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1b
    d2
    Innendurchmesser der, vorzugsweise koaxialen, Austrittsöffnung der Flüssigkeit 2
    d3
    Innendurchmesser des Düsenmundes
    β1
    Winkel zwischen der konischen Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1 und der Düsenhauptachse
    β2
    Winkel zwischen der konischen Zuführung der Flüssigkeit 2 und der konischen Verbindung zum Düsenmund
    L1
    Länge der konischen Verbindung zwischen Düsenmund und den Austrittsöffnungen der Flüssigkeiten 1a, 1 b und 2
    L2
    Abstand des Drallerzeugers von den Austrittsöffnungen der Flüssigkeiten 1a, 1b und 2
    L3
    Länge des Drallerzeugers
  • Anstelle kreisrunder Querschnitte sind auch beispielsweise elliptische Querschnitte möglich.
  • Die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes 1 a beträgt vorzugsweise von 1 bis 150 m/s, besonders bevorzugt von 2 bis 100 m/s, ganz besonders bevorzugt von 4 bis 50 m/s. Die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstromes 1 b beträgt vorzugsweise von 1 bis 150 m/s, besonders bevorzugt von 2 bis 100 m/s, ganz besonders bevorzugt von 4 bis 50 m/s. Durch die konische Verbindung zum Düsenmund werden der Flüssigkeitsströme weiter beschleunigt. Die Austrittsgeschwindigkeit aus dem Düsenmund beträgt vorzugsweise 1 bis 100 m/s, besonders bevorzugt 2 bis 50 m/s. Das Verhältnis von Länge L1 der konischen Verbindung zu Innendurchmesser d2 der, vorzugsweise koaxialen, Austrittsöffnung beträgt vorzugsweise weniger als 40, besonders bevorzugt von 1 bis 20, ganz besonders bevorzugt von 2 bis 10.
  • Das Massenstromverhältnis von Flüssigkeit 2 zur Summe der Flüssigkeiten 1a und 1b beträgt vorzugsweise weniger als 0,2, besonders bevorzugt von 0,02 bis 0,1. Das Massenstromverhältnis von Flüssigkeit 1b zu Flüssigkeit 1 a beträgt vorzugsweise von 0,25 bis 4, besonders bevorzugt von 0,5 bis 2.
  • Das Geschwindigkeitsverhältnis von Flüssigkeit 2 zu Flüssigkeit 1 a an den Austrittsöffnungen beträgt vorzugsweise von 0,1 bis 1, besonders bevorzugt von 0,2 bis 1. Das Geschwindigkeitsverhältnis von Flüssigkeit 2 zu Flüssigkeit 1b an den Austrittsöffnungen beträgt vorzugsweise von 0,1 bis 1, besonders bevorzugt von 0,2 bis 1.
  • Das Verhältnis von Wandstärke (d1a* - d1a) der Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1a zu Spaltbreite der Austrittsöffnung (d1b - d1a*) der Flüssigkeit 1 b beträgt vorzugsweise weniger als 1, besonders bevorzugt weniger als 0,5, ganz besonders bevorzugt weniger als 0,2.
  • Das Verhältnis von Wandstärke (d1b* - d1b) der Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1 b zu Spaltbreite der Austrittsöffnung (d2 - d1b*) der Flüssigkeit 2 beträgt vorzugsweise weniger als 1, besonders bevorzugt weniger als 0.5, ganz besonders bevorzugt weniger als 0,2.
  • Der Winkel β1 zwischen der konischen Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1 und der Düsenhauptachse beträgt vorzugsweise weniger als 30°, besonders bevorzugt weniger als 15°, ganz besonders bevorzugt weniger als 10°.
  • Der Winkel β2 zwischen der konischen Zuführung der Flüssigkeit 2 und der konischen Verbindung zum Düsenmund beträgt vorzugsweise weniger als 45°, besonders bevorzugt weniger als 30°, ganz besonders bevorzugt weniger als 15°.
  • Vorteilhaft wird eine erfindungsgemäße Düse mit Drallerzeuger verwendet. Über die Auswahl des Drallerzeugers können Tropfengröße und Sprühwinkel zusätzlich beeinflußt werden, wobei eine stärkere Verdrallung zu kleineren Tropfen und vergrö-ßertem Sprühwinkel führen. Zusätzlich unterstützt der Drallerzeuger die Mischung der Flüssigkeitsströme 1a und 1b.
  • Besonders bevorzugt erzeugen die Drallerzeuger der Flüssigkeiten 1a und 1b einen gegensinnigen Drall, wodurch die beiden Flüssigkeitsströme besser durchmischt werden.
  • Das Verhältnis von Abstand L2 des Drallerzeugers von den Austrittsöffnungen der Flüssigkeiten 1a, 1b und 2 zu Innendurchmesser d1a der Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1a beträgt vorzugsweise weniger als 10, besonders bevorzugt bis zu 5, ganz besonders bevorzugt bis zu 2. Das Verhältnis von Länge L3 des Drallerzeugers zu Innendurchmesser d1a der Austrittsöffnung der Flüssigkeit 1a beträgt vorzugsweise weniger als 5, besonders bevorzugt von 0,25 bis 3, ganz besonders bevorzugt von 0,5 bis 2.
  • Die Flüssigkeitsströme 1a und 1b können Monomerlösungen sein, wobei wobei die eine Monomerlösung einen Initiator und die andere Monomerlösung einen Co-Initiator enthält.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut für radikalische Polymerisationen geeignet, insbesondere für Polymerisationen, die durch Redox-Initiatoren gestartet werden.
  • Bei der Redox-Polymerisation setzt die Polymerisation spontan ein. Daher wird zumindest die zweite Komponente des Redox-Initiators (üblicherweise das Reduktionsmittel) so spät wie möglich zugesetzt. In dem erfindungsgemäßen Verfahren geschieht dies, indem die Mvnomerlösung in zwei Teillösungen (FlüssigKeitsströme 1 a und 1 b) aufgeteilt wird, wobei die eine Teillösung das Oxidationsmittel und die andere Teillösung das Reduktionsmittel des Redox-Initiators enthält. Die Teillösungen werden im Bereich der Mischstrecke zwischen den Austrittsöffnungen der Flüssigkeitsströme 1 a und 1 b und dem Düsenmund vermischt. Dies wird durch die Drallerzeuger zusätzlich unterstützt.
  • Zusätzlich zu den obengenannten Vorteilen vermindert der laminar strömende Flüssigkeitsstrom 2 hierbei den Kontakt der polymerisationsfähigen Monomerlösung mit der Düsenwand. Dadurch wird die Verstopfungsneigung der erfindungsgemäßen Sprühdüse vermindert und die Laufzeit erhöht.
  • Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit mit der erfindungsgemäßen Sprühdüse beliebige Vorstufen der Monomerlösung in der erfindungsgemäßen Sprühdüse zu mischen. Beispielsweise kann eine teilneutratisierte wässrige Acrylsäurelösung polymerisiert werden indem in der Sprühdüse die beiden Flüssigkeitsströme 1a und 1 b vermischt werden, wobei beispielsweise einer der Flüssigkeitsströme 1a oder 1b die Acrylsäure und den Initiator und der andere Flüssigkeitsstrom die zur Teilneutralisation notwendige Natronlauge enthält. Hierbei kann die Neutralisationswärme zur Erwärmung der Monomeriösung genutzt werden, ohne das die Gefahr besteht, dass die Sprühdüse verstopft.
  • In der Gasphase können die Konzentrationsunterschiede erzeugt werden, indem mindestens zwei Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung in den Reaktionsraum eingeleitet werden.
  • In einer besonderen Ausführungsform wird die Monomerlösung mittels einer Zweistoffdüse versprüht, wobei einer der mindestens zwei Gasströme als Zerstäubergas verwendet wird.
  • Vorzugsweise werden die mindestens zwei Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung im Bereich der Sprühdüse an einer Durchmischung gehindert.
  • Bevorzugt werden die Tropfen der Monomerlösung und die Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung im Gleichstrom von oben nach unten durch den Reaktor geführt.
  • Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Reaktoren sind in den Figuren 3 bis 6 dargestellt. Hierbei haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung:
    • 1
    Gaszuführung 1
    2
    Gaszuführung 2
    3
    Sprühdüse
    4
    Reaktorwand
    L
    Tiefe der Leitbleche
    s
    Abstand des Leitblechs zur Sprühdüse
    d
    Abstand der Leitbleche
    α
    Winkel zwischen der Gaszuführung 1 und der Senkrechten
    β
    Sprühwinkel der Gaszuführung 1
  • Figur 3 zeigt einen Reaktor mit einer Sprühdüse und Leitblechen neben der Sprühdüse, wobei die Gasströme 1 und 2 im Bereich der Sprühdüse durch die Leitbleche an einer Vermischung gehindert werden.
  • Figur 4 zeigt einen Reaktor mit zwei Sprühdüsen und Leitblechen neben den Sprühdüsen, wobei die Gasströme 1 und 2 im Bereich der Sprühdüsen durch die Leitbleche an einer Vermischung gehindert werden.
  • Figur 5 zeigt einen Reaktor mit zwei Sprühdüsen und Leitblechen neben den Sprühdüsen, wobei die Gasströme 1 und 2 im Bereich der Sprühdüsen durch die Leitbleche an einer Vermischung gehindert werden, und wobei jede Sprühdüse einzeln von Leitblechen umgeben ist.
  • Figur 6 zeigt einen Reaktor mit einer Sprühdüse und Leitblechen neben der Sprühdüse, wobei die Gasströme 1 und 2 im Bereich der Sprühdüse durch die Leitbleche an einer Vermischung gehindert werden, und wobei die Gaszuführungen der Gasströme 1 gegenüber der Senkrechten zur Sprühachse geneigt sind, vorzugsweise um weniger als 45°, besonders bevorzugt um weniger als 30°, ganz besonders bevorzugt um weniger als 15°.
  • In dem Reaktor gemäß Figur 6 kann der Konzentrationsunterschied in der Gasphase auch eingestellt werden, indem statt des Gasstromes 1 ein Flüssigkeitsstrom in den Reaktor verdüst wird, wobei der verdüste Flüssigkeitsstrom verdampft und dadurch der Gasstrom 1 im Reaktor erzeugt wird.
  • Das Verhältnis von Tiefe der Leitbleche L zu Abstand der Leitbleche von der Sprühdüse s beträgt vorzugsweise weniger als 3, besonders bevorzugt weniger als 2,4, ganz besonders bevorzugt weniger als 1,8. Wird jede Sprühdüse einzeln von Leitblechen umgeben, so ist Abstand d der Leitbleche gleich dem doppelten Abstand s der Leitbleche zur Sprühdüse.
  • Die Leitbleche weisen vorzugsweise keine seitlichen Öffnungen auf und umschließen die Sprühdüse bzw. die Sprühdüsen vollständig.
  • Die Anzahl der Gaszuführungen und/oder der Sprühdüsen ist nicht auf die in den Figuren 3 bis 6 dargestellte Anzahl beschränkt, vielmehr ist es insbesondere bei größeren Reaktoren zweckmäßig die Anzahl der Gaszuführungen und/oder Sprühdüsen zu erhöhen.
  • Das Massenstromverhältnis von Gasstrom 2 zu Monomerlösung beträgt vorzugsweise von 5 bis 100, besonders bevorzugt von 10 bis 50, ganz besonders bevorzugt 15 bis 25.
  • Das Massenstromverhältnis von Gasstrom 1 zu Monomerlösung beträgt vorzugsweise von 0,5 bis 10, besonders bevorzugt von 1 bis 5, ganz besonders bevorzugt 2 bis 4.
  • Das Verhältnis der Gasgeschwindigkeit des Gasstromes 1 zu der Gasgeschwindigkeit des Gasstromes 2 beträgt vorzugsweise von 0,25 bis 4, besonders bevorzugt von 0,5 bis 2, ganz besonders bevorzugt 0,75 bis 1,5.
  • Die Gasgeschwindigkeit des Gasstromes 2 beträgt vorzugsweise 0,05 bis 5 m/s, besonders bevorzugt von 0,1 bis 1 m/s, ganz besonders bevorzugt von 0,25 bis 0,75 m/s.
  • Der Sprühwinkel β beträgt vorzugsweise von 10 bis 90°, besonders bevorzugt von 10 bis 70°, ganz besonders bevorzugt von 10 bis 30°.
  • Statt der in den Figuren 3 bis 6 dargestellten Sprühdüsen können in dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Vertropfer eingesetzt werden.
  • Mindestens ein Gasstrom der mindestens zwei Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung enthält vorzugsweise eine Komponente der Monomerlösung flüssig und/oder besonders bevorzugt gasförmig. Es ist aber auch möglich, dass der Gasstrom, der eine Komponente der Monomerlösung flüssig enthält, nur aus dieser flüssigen Komponente besteht. In diesem Fall wird der Gasstrom durch Verdampfung der flüssigen Komponente, beispielsweise Wasser, im Reaktor erzeugt.
  • Vorzugsweise wird die versprühte Monomerlösung von dem Gasstrom, der die mindestens eine Komponente der Monomerlösung enthält, umhüllt, beispielsweise indem der Gasstrom nahe der Sprühdüse in den Reaktionsraum geführt wird. Die Temperatur des umhüllenden Gasstromes beträgt vorzugsweise von 70 bis 150°C, besonders bevorzugt von 90 bis 130°C, ganz besonders bevorzugt von 100 bis 110°C. Die Temperatur des weiteren Gasstromes beträgt vorzugsweise von 70 bis 250°C, besonders bevorzugt 100 bis 200°C, ganz besonders bevorzugt 120 bis 180°C
  • Ist Wasser ein Bestandteil der Monomerlösung, so ist Wasserdampf die bevorzugte Komponente der Monomerlösung in dem mindestens einen Gasstrom, wobei die relative Feuchte des Gasstromes vorzugsweise mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 75%, ganz besonders bevorzugt mindestens 95%, beträgt.
  • Die relative Feuchte ist der Quotient aus Wasserdampfpartialdruck und Wasserdampfdruck (Sättigung) bei einer gegebenen Temperatur multipliziert mit 100%.
  • Die erfindungsgemäße Verwendung zweier Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung ermöglicht Polymerisation und Trocknung bei der Sprühpolymerisation zu entkoppeln. Wird beispielsweise eine wässrige Monomerlösung polymerisiert, so hat der Gasstrom 1 (Befeuchtungsgas) vorzugsweise einen hohen Wasserdampfanteil und eine niedrige Temperatur und der Gasstrom 2 (Trocknungsgas) vorzugsweise einen niedrigen Wasserdampfanteil und eine hohe Temperatur.
  • Dabei verhindert das Befeuchtungsgas am Reaktoreingang ein zu schnelles Trocknen während der Polymerisationsphase und damit einen Reaktionsabbruch bei niedrigem Umsatz und hohem Restmonomerengehalt. Am Reaktorausgang werden die Polymerpartikel durch das Trocknungsgas getrocknet.
  • Weiterhin kann der Gasstrom 1 genutzt werden um die versprühte Monomerlösung zu erwärmen. Hat beispielsweise der Gasstrom 1 (Befeuchtungsgas) eine hohe relative Feuchte und wird die Monomerlösung mit ca. 25°C zugeführt, so kann Wasser auf den Tropfen kondensieren und die Kondensationswärme übertragen.
  • Die Reaktion wird vorzugsweise in Apparaten durchgeführt, die auch für die Sprühtrocknung geeignet sind. Derartige Reaktoren werden beispielsweise in K. Masters, Spray Drying Handbook, 5th Edition, Longman, 1991, Seiten 23 bis 66, beschrieben und können für das erfindungsgemäße Verfahren angepasst werden.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren können eine oder mehrere Sprühdüsen eingesetzt werden. Für die erfindungsgemäßen Sprühdüsen gelten die obengenannten bevorzugten Parameter. Ansonsten unterliegen die einsetzbaren Sprühdüsen keiner Beschränkung. Derartigen Düsen kann die zu versprühende Flüssigkeit unter Druck zugeführt werden. Die Zerteilung der zu versprühenden Flüssigkeit erfolgt dabei dadurch, dass sie nach Erreichen einer bestimmten Mindestgeschwindigkeit in der Düsenbohrung entspannt wird.
  • Bei Verwendung mehrerer Sprühdüsen ist die Anordnung gemäß der Dreiecksteilung bevorzugt. Dreiecksteilung bedeutet, dass sich die Sprühdüsen an den Eckpunkten gedachter gleichseitiger Dreiecke befinden.
  • Erfindungsgemäß bevorzugt sind Vollkegeldüsen. Darunter sind solche mit einem Öffnungswinkel des Sprühkegels von 15 bis 90° bevorzugt. Besonders bevorzugt sind Öffnungswinkel von 30 bis 70°. Der sich beim Versprühen einstellende mittlere Tropfendurchmesser ist erfindungsgemäß typischerweise kleiner 1000 µm, vorzugsweise kleiner 500 µm, bevorzugt kleiner 200 µm, sowie üblicherweise größer 10 µm, vorzugsweise größer 20 µm, bevorzugt größer 50 µm, und kann nach üblichen Methoden, wie Lichtstreuung, oder anhand der bei den Düsenherstellern erhältlichen Kennlinien bestimmt werden. Der Durchsatz je Sprühdüse beträgt zweckmäßig 0,1 bis 10 m3/h, häufig 0,5 bis 5 m3/h.
  • Der sich beim Versprühen einstellende Tröpfchendurchmesser ist zweckmäßig von 10 bis 1.000 µm, bevorzugt von 10 bis 500 µm, besonders bevorzugt von 10 bis 150 µm.
  • Der Reaktionsraum des Polymeriationsreaktors kann im Überdruck oder im Unterdruck durchgeführt werden, ein Unterduck von bis zu 100 mbar gegenüber dem Umgebungsdruck ist bevorzugt.
  • Die Reaktion wird vorzugsweise in Gegenwart eines inerten Trägergases durchgeführt werden, wobei das Trägergas die Summe der dem Reaktor zugeführten Gasströme ist. Inert bedeutet, dass das Trägergas mit den Bestandteilen der Monomerlösung nicht reagieren kann. Das inerte Trägergas ist vorzugsweise Stickstoff. Der Sauerstoffgehalt des inerten Trägergases beträgt vorteilhaft unter 5 Vol.-%, vorzugsweise unter 2 Vol.-%, besonders bevorzugt unter 1 Vol.-%.
  • Das inerte Trägergas kann im Gleichstrom oder im Gegenstrom zu den frei fallenden Tropfen der Monomerlösung durch den Reaktionsraum geführt werden, bevorzugt im Gleichstrom. Vorzugsweise wird das Trägergas nach einem Durchgang zumindest teilweise, bevorzugt zu mindestens 50%, besonders bevorzugt zu mindestens 75%, als Kreisgas in den Reaktionsraum zurückgeführt. Üblicherweise wird eine Teilmenge des Trägergases nach jedem Durchgang ausgeschleust, vorzugsweise weniger als 10%, besonders bevorzugt weniger als 3%, ganz besonders bevorzugt weniger als 1 %.
  • Die Gasgeschwindigkeit wird vorzugsweise so eingestellt, dass die Strömung im Reaktor gerichtet ist, beispielsweise liegen keine der allgemeinen Strömungsrichtung entgegengesetzte Konvektionswirbel vor, und beträgt beispielsweise 0,02 bis 1.5 m/s, bevorzugt 0,05 bis 0.5 m/s.
  • Das Trägergas wird üblicherweise vor dem Reaktor auf die Reaktionstemperatur von 70 bis 250°C, vorzugsweise 100 bis 220°C, besonders bevorzugt 120 bis 200°C, vorgewärmt. Werden verschiedene Gasströme als Trägergas verwendet, so kann es zweckmäßig sein auch Gasströme niedrigerer Temperatur zu verwenden.
  • Die Trocknungsgeschwindigkeit kann über den Wasserdampfgehalt des Trägergases beeinflusst werden.
  • Das Reaktionsabgas, d.h. das den Reaktionsraum verfassende Trägergas, kann beispielsweise in einem Wärmeaustauscher abgekühlt werden. Dabei kondensieren Wasser und nicht umgesetztes Monomer. Danach kann das Reaktionsabgas zumindest teilweise wieder aufgewärmt und als Kreisgas in den Reaktor zurückgeführt werden. Vorzugsweise wird das Kreisgas so abgekühlt, dass das abgekühlte Kreisgas den für die Reaktion gewünschten Anteil an Wasserdampf hat. Ein Teil des Reaktionsabgases kann ausgeschleust und durch frisches Trägergas ersetzt werden, wobei im Reaktionsabgas enthaltene nicht umgesetzte Monomere abgetrennt und rückgeführt werden können.
  • Besonders bevorzugt ist ein Wärmeverbund, dass heißt, ein Teil der Abwärme beim Abkühlen des Abgases wird zum Aufwärmen des Kreisgases verwendet.
  • Die Reaktoren können begleitbeheizt werden. Die Begleitheizung wird dabei so eingestellt, dass die Wandtemperatur mindestens 5°C oberhalb der Reaktorinnentemperatur liegt und die Kondensation an den Reaktorwänden zuverlässig vermieden wird.
  • Das Reaktionsprodukt kann dem Reaktor in üblicher Weise entnommen werden, vorzugsweise am Boden über eine Förderschnecke, und gegebenenfalls bis zur gewünschten Restfeuchte und zum gewünschten Restmonomerengehalt getrocknet werden, beispielsweise in einer integrierten Wirbelschicht.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden vorzugsweise wasserabsorbierende Polymerpartikel hergestellt.
  • Wasserabsorbierende Polymerpartikel können durch Polymerisation einer Monomertösung, enthaltend
    • a) mindestens ein ethylenisch ungesättigtes, säuregruppentragendes Monomer,
    • b) mindestens einen Vernetzer,
    • c) gegebenenfalls ein oder mehrere mit dem Monomeren a) copolymerisierbare ethylenisch und/oder allylisch ungesättigte Monomere und
    • d) gegebenenfalls ein oder mehrere wasserlösliche Polymere, auf die die Monomere a), b) und ggf. c) zumindest teilweise aufgepfropft werden können,
    hergestellt werden.
  • Geeignete Monomere a) sind beispielsweise ethylenisch ungesättigte Carbonsäuren, wie Acrylsäure, Methacrylsäure, Maleinsäure, Fumarsäure und Itaconsäure, oder deren Derivate, wie Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäureester und Methacrylsäureester. Besonders bevorzugte Monomere sind Acrylsäure und Methacrylsäure. Ganz besonders bevorzugt ist Acrylsäure.
  • Die Säuregruppen der Monomere a) sind üblicherweise teilweise neutralisiert, vorzugsweise zu 25 bis 85 mol-%, bevorzugt zu 27 bis 80 mol-%, besonders bevorzugt zu 27 bis 30 mol-% oder 40 bis 75 mol-%, wobei die üblichen Neutralisationsmittel verwendet werden können, vorzugsweise Alkalimetallhydroxide, Alkalimetalloxide, Alkalimetallcarbonate oder Alkalimetallhydrogencarbonate sowie deren Mischungen. Statt Alkalimetallsalzen können auch Ammoniumsalze verwendet werden. Natrium und Kalium sind als Alkalimetalle besonders bevorzugt, ganz besonders bevorzugt sind jedoch Natriumhydroxid, Natriumcarbonat oder Natriumhydrogencarbonat sowie deren Mischungen. Üblicherweise wird die Neutralisation durch Einmischung des Neutralisationsmittels als wässrige Lösung, als Schmelze, oder bevorzugt auch als Feststoff in die Monomerlösung erreicht. Beispielsweise kann Natriumhydroxid mit einem Wasseranteil deutlich unter 50 Gew.-% als wachsartige Masse mit einem Schmelzpunkt oberhalb 23°C vorliegen. In diesem Fall ist eine Dosierung als Stückgut oder Schmelze bei erhöhter Temperatur möglich.
  • Die Monomere a), insbesondere Acrylsäure, enthalten vorzugsweise bis zu 0,025 Gew.-% eines Hydrochinonhalbethers. Bevorzugte Hydrochinonhalbether sind Hydrochinonmonomethylether (MEHQ) und/oder Tocopherole.
  • Unter Tocopherol werden Verbindungen der folgenden Formel verstanden
    Figure imgb0001
     wobei R1 Wasserstoff oder Methyl, R2 Wasserstoff oder Methyl, R3 Wasserstoff oder Methyl und R4 Wasserstoff oder ein Säurerest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen bedeutet.
  • Bevorzugte Reste für R4 sind Acetyl, Ascorbyl, Succinyl, Nicotinyl und andere physiologisch verträgliche Carbonsäuren. Die Carbonsäuren können Mono-, Di- oder Tricarbonsäuren sein.
  • Bevorzugt ist alpha-Tocopherol mit R1 = R2 = R3 = Methyl, insbesondere racemisches alpha―Tocopherol. RT ist besonders bevorzugt Wasserstoff oder Acetyl. Insbesondere bevorzugt ist RRR-alpha-Tocvpherol.
  • Die Monomerlösung enthält bevorzugt weniger als 130 Gew.-ppm, besonders bevorzugt weniger als 70 Gew.-ppm, bevorzugt mindesten 50 Gew.-ppm, besonders bevorzugt mindesten 30 Gew.-ppm, insbesondere um 50 Gew.-ppm, Hydrochinonhalbether, jeweils bezogen auf Acrylsäure, wobei Acrylsäuresalze als Acrylsäure mit berücksichtigt wird. Beispielsweise kann zur Herstellung der Monomerlösung eine Acrylsäure mit einem entsprechenden Gehalt an Hydrochinonhalbether verwendet werden.
  • Die Vernetzer b) sind Verbindungen mit mindestens zwei polymerisierbaren Gruppen, die in das Polymemetzwerk radikalisch einpolymerisiert werden können. Geeignete Vernetzer b) sind beispielsweise Ethylenglykoldimethacrylat, Diethylenglykoldiacrylat, Allylmethacrylat, Trimethylolpropantriacrylat, Triallylamin, Tetraallyloxyethan, wie in EP-A-0 530 438 beschrieben, Di- und Triacrylate, wie in EP-A-0 547 847 , EP-A-0 559 476 , EP-A-0 632 068 , WO-A-93/21237 , WO-A-03/104299 , WO-A-03/104300 , WO-A-03/104301 und in DE-A-103 31 450 beschrieben, gemischte Acrylate, die neben Acrylatgruppen weitere ethylenisch ungesättigte Gruppen enthalten, wie in DE-A-103 314 56 und der älteren deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 10355401.7 beschrieben, oder Vemetzermischungen, wie beispielsweise in DE-A-195 43 368 . DE-A-196 46 484 , WO-A-90/15830 und WO-A-02/32962 beschrieben.
  • Geeignete Vernetzer b) sind insbesondere N.N'-Methylenbisacrylamid und N,N'-Methylenbismethacrylamid, Ester ungesättigter Mono- oder Polycarbonsäuren von Polyolen, wie Diacrylat oder Triacrylat, beispielsweise Butandiol- oder Ethylenglykoldiacrylat bzw. -methacrylat sowie Trimethylolpropantriacrylat und Allylverbindungen, wie Allyl(meth)acrylat, Triallylcyanurat, Maleinsäurediallylester, Polyallylester, Tetraallyloxyethan, Triallylamin, Tetraallylethylendiamin, Allylester der Phosphorsäure sowie Vinylphosphonsäurederivate, wie sie beispielsweise in EP-A-0 343 427 beschrieben sind. Weiterhin geeignete Vernetzer b) sind Pentaerythrituldi- Pentaerythritottri- und Pentaerythritoltetraallylether, Polyethylenglykolcliallylether, Ethylenglykoldiallylether, Glyzerindi- und Glyzerintriallylether, Polyallylether auf Basis Sorbitol, sowie ethoxylierte Varianten davon. Im erfindungsgemäßen Verfahren einsetzbar sind Di(meth)acrylate von Polyethylenglykolen, wobei das eingesetzte PolyethylenglyKol ein Molekulargewicht zwischen 300 und 1000 aufweist.
  • Besonders vorteilhafte Vernetzer b) sind jedoch Di- und Triacrylate des 3- bis 15-fach ethoxylierten Glyzerins, des 3- bis 15-fach ethoxylierten Trimethylolpropans, des 3- bis 15-fach ethoxylierten Trimethylolethans, insbesondere Di- und Triacrylate des 2- bis 6-fach ethoxylierten Glyzerins oder Trimethylolpropans, des 3-fach propoxylierten Glyzerins oder Trimethylolpropans, sowie des 3-fach gemischt ethoxylierten oder propoxyfierten Glyzerins oder Trimethylolpropans, des 15-fach ethoxylierten Glyzerins oder Trimethylolpropans, sowie des 40-fach ethoxylierten Glyzerins, Trimethylolethans oder Trimethylolpropans.
  • Ganz besonders bevorzugte Vernetzer b) sind die mit Acrylsäure oder Methacrylsäure zu Di- oder Triacrylaten veresterten mehrfach ethoxylierten und/oder propoxylierten propoxylierten Glyzerine wie sie beispielsweise in WO-A-03/104301 beschrieben sind. Besonders vorteilhaft sind Di- und/oder Triacrylate des 3- bis 10-fach ethoxylierten Glyzerins. Ganz besonders bevorzugt sind Di- oder Triacrylate des 1- bis 5-fach ethoxylierten und/oder propoxylierten Glyzerins. Am meisten bevorzugt sind die Triacrylate des 3- bis 5-fach ethoxylierten und/oder propvxylierten Glyzerins. Diese zeichnen sich durch besonders niedrige Restgehalte (typischerweise unter 10 Gew.-ppm) im wasserabsorbierenden Polymer aus und die wässrigen Extrakte der damit hergestellten wasserabsorbierenden Polymere weisen eine fast unveränderte Oberflächenspannung (typischerweise mindestens 0,068 N/m) im Vergleich zu Wasser gleicher Temperatur auf.
  • Mit den Monomeren a) copolymerisierbare ethylenisch ungesättigte Monomere c) sind beispielsweise Acrylamid, Methacrylamid, Crotonsäureamid, Dimethylamincethylmethacrylat, Dimethylaminoethylacrylat, Dimethylaminopropylacrylat, Diethylaminopropylacrylat, Dimethytaminobutylacrylat, Dimethylaminoethylmethacrylat, Diethylaminoethylmethacrylat, Dimethylaminoneopentylacrylat und Dimethylaminvtleopentylmethacrylat.
  • Als wasserlösliche Polymere d) können Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon, Stärke, Stärkederivate, Polyglykole oder Potyacrylsäuren, vorzugsweise Polyvinylalkohol und Stärke, eingesetzt werden.
  • Die Konzentration der Monomeren a) in der Monomerlösung beträgt üblicherweise 2 bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 70 Gew.-%, besonders bevorzugt 10 bis 60 Gew.-%.
  • Die Löslichkeit der Monomeren a) in Wasser beträgt typischerweise mindestens 1 g/100 g Wasser, vorzugsweise mindestens 5 g/100 g Wasser, besonders bevorzugt mindestens 25 g/100 g Wasser, ganz besonders bevorzugt mindestens 50 g/100 g Wasser.
  • Die bevorzugten Polymerisationsinhibitoren benötigen für eine optimale Wirkung gelösten Sauerstoff. Daher können die Polymerisationsinhibitoren vor der Polymerisation durch Inertisierung, d.h. Durchströmen mit einem inerten Gas, vorzugsweise Stickstoff, von gelöstem Sauerstoff befreit werden. Vorzugsweise wird der Sauerstoffgehalt der Monomerlösung vor der Polymerisation auf weniger als 1 Gew.-ppm, besonders bevorzugt auf weniger als 0,5 Gew.-ppm, gesenkt.
  • Die Monomeren werden in wässriger Lösung in Gegenwart von Initiatoren miteinander polymerisiert.
  • Die Initiatoren werden in üblichen Mengen eingesetzt, beispielsweise in Mengen von 0,001 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise 0,01 bis 1 Gew.-%, bezogen auf die zu polymerisierenden Monomere.
  • Als Initiatoren können sämtliche unter den Polymerisationsbedingungen in Radikale zerfallende Verbindungen eingesetzt werden, beispielsweise Peroxide. Hydroperoxide, Wasserstoffperoxid, Persulfate, Azoverbindungen und die sogenannten Redox-Initiatoren. Bevorzugt ist der Einsatz von wasserlöslichen Initiatoren. In manchen Fällen ist es vorteilhaft, Mischungen verschiedener Initiatoren zu verwenden, beispielsweise Mischungen aus Wasserstoffperoxid und Natrium- oder Kaliumperoxodisulfat. Mischungen aus Wasserstoffperoxid und Natriumperoxodisulfat können in jedem beliebigen Verhältnis verwendet werden.
  • Geeignete organische Peroxide sind beispielsweise Acetytacetonperoxid. Methylethylketonperoxid, tert.-Butylhydroperoxid, Cumolhydroperoxid, tert.-Amylperpivalat, tert.-Butylperpivalat, tert.-Butylpemeohexanoat, tert.-Butylperisobutyrat, tert-Butyl-per-2-ethylhexanoat, tert.-Butylperisononanoat, tert.-Butylpermaleat, tert.-Butylperbenzaat, Di-(2-ethylhexyl)peroxydicarbonat, Dicyclohexylperoxydicarbunat, Di-(4-tert.-butylcyclohexyl)peroxydicarbonat. Dimyristilperoxydicarbonat, Diacetylperoxydicarbonat, Allylperester, Cumylperoxyneodecanoat, tert.-Butylper-3,5,5-trimethylhexanoat, Acetylcyclohexylsulfonylperoxid, Dilaurylperoxid, Dibenzoylperoxid und tert.-Amylperneodekanoat.
  • Bevorzugte Initiatoren sind Azoverbindungen, beispielsweise 2,2'-Azobis-isvbutyronitril, 2,2'-Azobis(2,4-dimethylvaleronitril) und 2,2'-Azubis(4-methoxy-2,4-dimethylvaleronitril), insbesondere wasserlösliche Azostarter, beispielsweise 2.2'-Azobis{2-[1-(2-hydroxyethyl)-2-imidazolin-2-yl]propan}dihydrochlorid, 2,2'-Azobis-(2-amidinopropan)dihydrochtorid, 2,2'-Azobis[2-(2-imidazolin-2-yl)propan]dihydrochlorid und 2,2'-Azobis[2-(5-methyl-2-imidazolin-2-yl)propan]dihydrochlorid. Ganz besonders bevorzugt sind 2,2'-Azobis[2-(2-imidazolin-2-yl)propan]dihydrochlarid und 2,2'-Azobis[2-(5-methyl-2-imidazolirl-2-yl)propan]dihydrochlorid.
  • Weiterhin bevorzugte Initiatoren sind außerdem Redox-Initiatoren. Die Redox-Initiatoren enthalten als oxidierende Komponente mindestens eine der oben angegebenen Peroxoverbindungen und als reduzierende Komponente beispielsweise Ascorbinsäure. Glukose, Sorbose, Ammonium- oder Atkalimetaiihydrogensutfit, -sulfit, - thiosulfat, -hyposulfit, -pyrosulfit, -sulfid oder Natriumhydroxymethylsulfoxyiat. Vorzugsweise verwendet man als reduzierende Komponente des Redox-Initiators Ascorbinsäure oder Natriumpyrosulfit. Bezogen auf die bei der Polymerisation eingesetzte Menge an Monomeren verwendet man beispielsweise 1 x 10-5 bis 1 mol-% der reduzierenden Komponente des Redox-Initiators.
  • Besonders bevorzugt wird die Polymerisation durch Einwirkung energiereicher Strahlung ausgelöst, wobei man üblicherweise sogenannte Photo-Initiatoren als Initiator verwendet. Hierbei kann es sich beispielsweise um sogenannte a-Spalter, H-abstrahierende Systeme oder auch um Azide handeln. Beispiele für solche Initiatoren sind Benzophenon-Derivate wie Michters-Keton. Phenanthren-Derivate, Fluvren-Derivate, Anthrachinon-Derivate, Thioxanton-Derivate, Cumarin-Derivate. Benzoinether und deren Derivate, Azoverbindungen, wie die oben genannten Radikalbildner, substituierte Hexaarylbisimidazole oder Acylphosphinoxide, insbesondere 2-Hydroxy-2-methylpropiophenon (Darocure® 1173). Beispiele für Azide sind 2-(N,N-Dimethylamino)-ethyl-4-azidocinnamat. 2-(N,N-Dimethyl-amino)-ethyl-4-azidonaphthylketon, 2-(N,N-Dimethylamino)-ethyl-4-azidobenzoat, 5-Azido-1-naphthyl-2'-(N.N-dimethylamino)ethylsulfon, N-(4-Sulfonylazidophenyl)maleinimid, N-Acetyl-4-sulfonylazidoanilin, 4-Sulfonylazidoanilin, 4-Azidoanilin, 4-Azidophenacylbromid, p-Azidobenzoesäure, 2,6-Bis(p-azidobenzyliden)cyclohexanon und 2,6-Bis-(p-azido-benzyliden)-4-methylcyclohexanon.
  • Besonders bevorzugte Initiatoren sind Azo-Initiatoren, wie 2,2'-Azobis[2-(2-imidazolin-2-yl)propan]dihydrochlorid und 2,2'-Azobis[2-(5-methyl-2-imidazolin-2-yl)propan]djhydrochlorid, und Photo-Initiatoren, wie 2-Hydroxy-2-methylpropivphenon und 1-[4-(2-Hydroxyethoxy)-pheny]-2-hydroxy-2-methyM-propan-1-on. Redox-Initiatoren, wie Natriumpersulfat/ Hydroxymethylsulfinsäure, Ammoniumperoxodisulfat/Hydroxymethylsulfinsäure, Wasserstoffperoxid/Hydroxymethylsulfinsäure, Natriumpersulfat/Ascorbinsäure, Ammoniumperoxodisulfat/Ascorbinsäure und Wasserstoffperoxid/Ascorbinsäure, Photo-Initiatoren, wie 1-[4-(2-Hydroxyethoxy)-phenyl]-2-hydroxy-2-methyl-1-propan-1-on, sowie deren Mischungen.
  • Die Polymerisationsgeschwindigkeit kann durch Art und Menge des verwendeten Initiatorsystems eingestellt werden.
  • Entsprechend der Produktanforderungen kann der pH-Wert des erfindungsgemäßen Polymeren über den pH-Wort der Monomerlösung auf den gewünschten Bereich eingestellt werden. Beispielsweise sollten Polymere für kosmetische Anwendungen üblicherweise einen pH-Wert von 5 bis 6 aufweisen.
  • Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren wasserabsorbierenden Polymerpartikel weisen typischerweise eine Zentrifugenretentionskapazität (CRC) von mindestens 15 g/g, vorzugsweise mindestens 20 g/g, besonders bevorzugt mindestens 25 g/g, auf. Die Zentrifugenretentionskapazität (CRC) wird gemäß der von der EDANA (European Disposables and Nonwovens Association) empfohlenen Testmethode Nr. 441.2-02 "Centrifuge retention capacity" bestimmt.
  • Die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren wasserabsorbierenden Polymerpartikel weisen typischerweise eine Absorption unter Druck 0.3 psi (2,07 kPa) von mindestens 1o g/g, vorzugsweise mindestens 15 g/g, besonders bevorzugt mindestens 20 g/g, auf. Die Absorption unter Druck (AUL) wird gemäß der von der EDANA (European Disposables and Nonwovens Association) empfohlenen Testmethode Nr. 442.2-02 "Absorption under pressure" bestimmt.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Verfahren zur Herstellung von Hygieneartikeln, insbesondere Windeln, umfassend die Verwendung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter wasserabsorbierender Polymerpartikel.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Hygieneartikel, enthaltend eine absorbierende Schicht bestehend aus 50 bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 60 bis 100 Gew.-%, bevorzugt 70 bis 100 Gew.-%, besonders bevorzugt 80 bis 100 Gew.%, ganz besonders bevorzugt 90 bis 100 Gew.-%, erfindungsgemäßer wasserabsorbierender Polymerpartikel, wobei die Umhüllung der absorbierenden Schicht selbstverständlich nicht berücksichtigt ist.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegende Erfindung sind Sprühdüsen, bestehend aus
    • i) einer zentralen Zuführung mit einem innendurchmesser d1,
    • ii) einer die zentrale Zuführung i), vorzugsweise koaxial, umhüllenden Zuführung mit einem Innendurchmesser d2 und
    • iii) einer an die Zuführungen i) und ii) anschließenden Verbindung zum Düsenmund,
    wobei das Verhältnis der Innendurchmesser d1/d2 von mindestens 0,8, vorzugsweise mindestens 0,85, besonders bevorzugt mindestens 0.9, und der Winkel β2 der Verbindung zwischen Zuführung ii) und Verbindung iii) weniger als 45°, vorzugsweise weniger als 30°, besonders bevorzugt weniger als 15° beträgt.
  • Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Sprühdüse. Die bevorzugten Abmessungen wurden bereits oben beim Verfahren beschrieben.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zuführung i) in eine zentrale Zuführung i1) und eine die Zuführung i1), vorzugsweise koaxial, umhüllende Zuführung i2) unterteilt.
  • Die Figur 2 zeigt eine bevorzugte erfindungsgemäße Sprühdüse. Die bevorzugten Abmessungen wurden bereits oben beim Verfahren beschrieben.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegende Erfindung sind Reaktoren, enthaltend
    • i) mindestens eine Vorrichtung zum Vertropfen oder Versprühen einer Monomenösung a),
    • ii) mindestens eine Vorrichtung zur Zufuhr eines Gasstromes b) und
    • iii1) mindestens eine Vorrichtung zum Versprühen einer von der Monomerlösung a) verschiedenen Flüssigkeit c1) und/oder
    • iii2) mindestens eine Vorrichtung zur Zufuhr eines weiteren Gasstromes c2), der von dem Gasstrom b) verschieden ist,
    wobei die Vorrichtungen i), ii) und iii) voneinander räumlich getrennt sind.
  • Vorteilhaft werden mehrere Vorrichtungen iii1) und/oder iii2) gleichmäßig verteilt um die Vorrichtung i) angeordnet, beispielsweise mit gleichem Abstand zueinander auf einem Kreis mit der Vorichtung i) im Kreismittelpunkt. Besonders bevorzugt wird jede Vorrichtung i) von zwei, drei, vier oder mehr Vorrichtungen iii1) und/oder iii2) umgeben.
  • Vorzugsweise enthält der obere Abschnitt des erfindungsgemäßen Reaktors Leitbleche, so dass das Gas b) an einer Durchmischung mit der vertropften oder versprühten FlüssigKeit a) gehindert wird und die Flüssigkeit c1) und/oder das Gas c2) an einer Durchmischung mit der versprühten Flüssigkeit a) nicht gehindert wird.
  • Die Figuren 3 bis 6 zeigen erfindungsgemäße Reaktoren. Die bevorzugten Abmessungen wurden bereits oben beim Verfahren beschrieben.
  • Die erfindungsgemäßen Sprühdüsen und Reaktoren werden zur Herstellung von Polymerpartikeln, vorzugsweise wasserabsorbierenden Polymerpartikein eingesetzt.
  • Zur Bestimmung der Güte der Nachvemetzung werden die getrocknete wasserabsorbierenden Polymerpartikel mit den nachfolgend beschrieben Testmethoden geprüft.
    • Methoden:
  • Die Messungen sollten, wenn nicht anders angegeben, bei einer Umgebungstemperatur von 23 ± 2 °C und einer relativen Luftfeuchte von 50 ± 10 % durchgeführt werden. Die wasserabsorbierenden Polymere werden vor der Messung gut durchmischt.
    • Restmonomere
  • Der Gehalt an Restmonomeren der wasserabsorbierenden Polymerpartikel wird gemäß der von der EDANA (European Disposables and Nonwovens Association) empfohlenen Testmethode Nr. 410.2-02 "Residual monomers" bestimmt.
  • Analog können Restmonomerengehalte anderer Polymerpartikel bestimmt werden. Dabei muss das zu bestimmende Monomer in dem zur Bestimmung verwendeten Lösungsmittel löslich sein.
  • Die EDANA-Testmethoden sind beispielsweise erhältlich bei der European Disposables and Nonwovens Association, Avenue Eugène Plasky 157. B-1030 Brüssel, Belgien.
    • Beispiele: Beispiele 1 bis 3 (Vergleich)
  • Eine Lösung, enthaltend 8,1 Gew.-% Acrylsäure, 31,9 Gew.-% Natriumacrylat, 0,16 Gew.-% 15fach ethoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat, Redox-Initiator und Wasser, wurde in einer Menge von 20 kg/h in einem Sprühturm (8m Höhe, 3m Breite) verdüst. Die Monomerlösung wurde über eine auf 10°C gekühlte Leitung einer Einstoffsprühdüse (Nubilosa PHKS 4-20, Nubilosa, DE) zugeführt. Die Düse hatte einen Innendurchmesser von 400 µm, der Düsenvordruck betrug 10 bar und der mittlere Tropfendurchmesser betrug ca. 100 µm. Dem Sprühturm wurden von oben 1000 kg/h Stickstoff mit einer Temperatur von 175°C zugeführt. Am Boden des Sprühturms wurde ein trockenes, weißes Pulver erhalten.
  • Als Redox-Initiator wurde ein Gemisch aus Natriumpersulfat und Brüggolit® FF6 (Brüggeman Chemical, DE) eingesetzt. Brüggolit® FF6 ist ein Gemisch aus 50 bis 60 Gew.-% des Dinatriumsalzes der 2-Hydroxy-2-sulfinatoessigsäure, 30 bis 35 Gew.-% Natriumsulfit und 10 bis 15 Gew.-% des Dinatriumsalzes der 2-Hydroxysulfonatoessigsäure.
  • Von dem erhaltenen Produkt wurde der Restmonomerengehalt bestimmt. Die Versuchsbedingungen und die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 zusammengefasst. Tab. 1: Einstoffsprühdüse
    Beispiel Natriumpersulfat Brüggolit® FF6 Restmonomerengehalt
    1 1,05 Gew.-% 0,78 Gew.-% 24,8 Gew.-%
    2*) 1,76 Gew.-% 1,51 Gew.-% 8,3 Gew.-%
    3**) 3,76 Gew.-% 2,87 Gew.-% 4,1 Gew.-%
    *) instabiler Sprühdüsenvordruck
    **) nach ca. 30 Minuten Sprühdüse verstopft
    • Beispiele 4 und 5
  • Es wurde verfahren wie unter Beispiel 2 und 3. Es wurde eine erfindungsgemäße Sprühdüse (Figur 1) verwendet. Die Sprühdüse hatte folgende Maße: d1= 7,7 mm, d1*= 8,2 mm, d2= 9 mm, d3= 4 mm, L1= 18 mm, L2= 4,5 mm, L3= 9 mm, β1= 8,7° und β2= 9,1°. Zur Ausbildung der laminaren Flüssigkeitsschicht wurden 2 kg/h Wasser dosiert. Die erfindungsgemäße Sprühdüse ließ sich über mehrere Stunden stabil betreiben.
  • Von dem erhaltenen Produkt wurde der Restmonomerengehalt bestimmt. Die Versuchsbedingungen und die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengefasst. Tab. 2: erfindungsgemäße Sprühdüse
    Beispiel Natriumpersulfat Brüggolit® FF6 Restmonomerengehalt
    4 1,76 Gew.-% 1,51 Gew.-% 7,9 Gew.-%
    5 3,76 Gew.-% 2,87 Gew.-% 3,8 Gew.-%
    • Beispiel 6
  • Es wurde verfahren wie unter Beispiel 2. Über vier symmetrisch angeordnete Dampflanzen wurden insgesamt 72 kg/h Dampf mit einer Temperatur von 100 bis 110°C eingespeist (relative Feuchte >98%). Die Dampflanzen hatten einen Innendurchmesser von je 1 mm und einen Abstand von der Einstoffsprühdüse von 15 cm. Die Sprühachse der Dampflanzen war gegenüber der Senkrechten um 15° zur Einstoffsprühdüse geneigt.
  • Der Restmonomerengehalt betrug 1,3 Gew.-%.
    • Beispiel 7 (Vergleich)
  • Eine Lösung, enthaltend 8,1 Gew.-% Acrylsäure, 31,9 Gew.-% Natriumacrylat, 0,16 Gew.-% 15fach ethoxyliertes Trimethylolpropantriacrylat, 0,22 Gew.-% Azo-Initiator und Wasser, wurde in einer Menge von 15 kg/h in einem Sprühturm (8m Höhe. 3m Breite) verdüst. Die Monomerlösung wurde über eine auf 10°C gekühlte Leitung einer Zweistoffdüse (Nubilosa 2B2V ZD100, Nubilosa, DE) zugeführt. Die Düse wurde mit 10 Nm3/h Stickstoff als Zerstäubergas betrieben und der mittlere Tropfendurchmesser betrug ca. 50 µm. Dem Sprühturm wurden von oben 1000 kg/h Stickstoff mit einer Temperatur von 175°C zugeführt. Am Boden des Sprühturms wurde ein trockenes, weißes Pulver erhalten.
  • Als Azo-Initiator wurde ein Gemisch aus gleichen Gewichtsteilen 2,2'-Azobis(N,N'-dimethylenisobutyramidine)dihydrochlorid (Azo-Initiator V44 der Wako Deutschland, DE) und 2,2'-Azobis(2-amidinopropan)dihydrochlorid (Azo-Initiator V50 der Wako Deutschland, DE) eingesetzt.
  • Der Restmonomerengehalt betrug 16,1 Gew.-%.
    • Beispiel 8
  • Es wurde verfahren wie unter Beispiel 7. Statt Stickstoff wurde Wasserdampf (relative Feuchte >98%) mit einer Temperatur von 100 bis 110°C als Zerstäubergas verwendet.
  • Der Restmonomerengehalt betrug 7,1 Gew.-%.

Claims (26)

  1. Verfahren zur Herstellung von Polymerpartikein mit niedrigem Restmonomerengehalt durch Sprühpolymerisation einer Monomenösung, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Flüssigphase und/oder in einer Gasphase über die Dosierung unterschiedlicher flüssiger und/oder gasförmiger Stoffströme gezielt Konzentrationsunterschiede erzeugt werden.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Monomerlösung und Innenwand der Sprühdüse eine laminar strömende Flüssigkeitsschicht ausbildet, wobei die laminar strömende Flüssigkeitsschicht von der Monomerlösung verschieden ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die laminar strömende Flüssigkeitsschicht ausbildende Flüssigkeit zumindest ein in der Monomerlösung enthaltendes Lösungsmittel enthält.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Massenstromverhältnis von der die laminar strömende Flüssigkeitsschicht ausbildenden Flüssigkeit zu Monomerlösung weniger als 0.2 beträgt.
  5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die laminar strömende Flüssigkeitsschicht ausbildenden Flüssigkeitsstrom 2 und der zentrale die Monomerlösung enthaltende Flüssigkeitsstrom 1 in der Sprühdüse so zusammengeführt werden, dass die Zuführung des Flüssigkeitsstromes 2 die Zuführung des Flüssigkeitsstromes 1 umhüllt und dass der Flüssigkeitsstrom 2 an der Stelle an der die Flüssigkeitsstrome 1 und 2 zusammengeführt werden und den Flüssigkeitsstrom 3 bilden um weniger als 45° abgelenkt wird.
  6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Austrittsgeschwindigkeiten von dem die laminar strömende Flüssigkeitsschicht ausbildenden Flüssigkeitsstrom 2 zu dem die Monomerlösung enthaltenden Flüssigkeitsstrom 1 an der Stelle an der die Flüssigkeitstrvme 1 und 2 zusammengeführt werden und den Flüssigkeitsstrom 3 bilden von 0.1 bis 1 beträgt.
  7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die laminar strömende Flüssigkeitsschicht ausbildende Flüssigkeit Wasser ist.
  8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der die Monomerlösung enthaltende Flüssigkeitsstrom 1 in einen zentralen Flüssigkeitsstrom 1 a und einen Flüssigkeitsstrom 1 b unterteilt wird, wobei die Zuführung des Flüssigkeitstromes 1 b die Zuführung des Flüssigkeitsstromes 1 a umhüllt.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsströme 1a und 1b Monomerlösungen sind, wobei die eine Monomerlösung einen Initiator und die andere Monomerlösung einen Co-Initiator enthält.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass einer der beiden Flüssigkeitsströme 1 a oder 1 b Acrylsäure und der andere Flüssigkeitsstrom Natronlauge enthält.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10. dadurch gekennzeichnet, dass in dem Reaktionsraum gezielt mindestens zwei Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung erzeugt werden.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Gasströme unterschiedlicher Zusammensetzung im Bereich der Vertropfung oder Versprühung der Monomerlösung an einer Durchmischung gehindert werden.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gasstrom zumindest eine Komponente der Monomerlösung enthält.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Gasstrom, der zumindest eine Komponente der Monomerlösung enthält, die vertropfte oder versprühte Monvmerlösung urnhüllt.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Komponente der Monomerlösung Wasserdampf ist.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Feuchte des Wasserdampfs enthaltenden Gasstroms mindestens 50% beträgt.
  17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der die vertropfte oder versprühte Monomerlösung umhüllende Gasstrom eine Temperatur von 70 bis 250°C aufweist.
  18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Monomerlösung
    a) mindestens ein ethylenisch ungesättigtes, säuregruppentragendes Monomer,
    b) mindestens einen Vernetzer,
    c) gegebenenfalls ein oder mehrere mit dem Monomer a) copolymerisierbare ethylenisch und/oder allylisch ungesättigte Monomere und
    d) gegebenenfalls ein oder mehrere wasserlösliche Polymere, auf die die Monomere a), b) und ggf. c) zumindest teilweise aufgepfropft werden können,
    enthält.
  19. Verfahren zur Herstellung von Hygieneartikeln, umfassend die Verwendung gemäß Anspruch 18 hergestellter wasserabsorbierender Polymerpartikel.
  20. Sprühdüse, bestehend aus
    i) einer zentralen Zuführung mit einem Innendurchmesser d1.
    ii) einer die zentrale Zuführung i) umhüllenden Zuführung mit einem Innendurchmesser d2 und
    iii) einer an die Zuführungen i) und ii) anschließenden Verbindung zum Düsenmund,
    wobei das Verhältnis der Innendurchmesser d1/d2 mindestens 0,8 und der Winkel β2 der Verbindung zwischen Zuführung ii) und Verbindung iii) weniger als 45° beträgt
  21. Sprühdüse gemäß Anspruch 20, wobei die Zuführung i) in eine zentrale Zuführung i1) und eine die Zuführung i1) umhüllende Zuführung i2) unterteilt ist.
  22. Reaktor zur Sprühpolymerisation, enthaltend
    i) mindestens eine Vorrichtung zum Vertropfen oder Versprühen einer Monomerlösung a),
    ii) mindestens eine Vorrichtung zur Zufuhr eines Gasstromes b) und
    iii1) mindestens eine Vorrichtung zum Versprühen einer von der Monomerlösung a) verschiedenen Flüssigkeit c1) und/oder
    iii2) mindestens eine Vorrichtung zur Zufuhr eines weiteren Gasstromes c2), der von dem Gasstrom b) verschieden ist,
    wobei die Vorrichtungen i), ii) und iii) voneinander räumlich getrennt sind.
  23. Reaktor gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschnitt des Reaktors Leitbleche enthält, so dass das Gas b) an einer Durchmischung mit der vertropften oder versprühten Flüssigkeit a) gehindert wird und die Flüssigkeit c1) und/oder das Gas c2) an einer Durchmischung mit der versprühten Flüssigkeit a) nicht gehindert wird.
  24. Reaktor gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Tiefe der Leitbleche zu Abstand der Leitbleche von der nächsten Vorrichtung zum Vertropfen oder Versprühen weniger als 3 beträgt.
  25. Reaktor gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführten Gase und Flüssigkeiten a), b) und c) im Gleichstrom von oben nach unten durch den Reaktor geführt werden können
  26. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 25 zur Herstellung von Polymerpartikeln.
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